5. Контрольные вопросы

5.1. Какие типы полевых транзисторов вы знаете? В чем заключаются отличия? Какой вид имеют условные графические обозначения полевых транзисторов различных типов?

5.2. В чем основные отличия полевого транзистора от биполярного? (По принципу работы и параметрам).

5.3. Почему проводимость канала полевого транзистора с управляющим p–n-переходом зависит от напряжения на затворе?

5.4. В чем отличие влияния напряжения сток–исток полевого транзистора с управляющим переходом на проводимость канала по сравнению с влиянием напряжения затвор–исток?

5.5. Что такое смыкание канала и какой области стоковых характеристик полевых транзисторов оно соответствует?

5.6. Почему входное сопротивление полевого транзистора намного больше, чем биполярного?

5.7. В чем отличие полупроводниковой структуры транзистора

МДП от структуры полевого транзистора с управляющим переходом?

5.8. Как влияет напряжение затвор-исток МДП-транзистора на проводимость канала и почему?

5.9. Что такое режим обеднения и режим обогащения МДП-транзисторов?

5.10. Чем определяются инерционные (частотные) свойства полевых транзисторов?

5.11. Каковы основные параметры полевых транзисторов и какие из них входят в малосигнальную схему замещения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Исследование статических и динамических характеристик триодного тиристора

1. Цель работы

Изучение принципа действия тиристора, экспериментальное определение статических вольт-амперных характеристик анодной цепи и управляющего электрода, исследование процесса включения тиристора.

2. Теоретические сведения

Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий три и более p–n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

С точки зрения применения тиристор – это полупроводниковый ключ, т.е. прибор, основное назначение которого состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью внешних сигналов.

Аналогично транзистору, работающему в режиме ключа, тиристор имеет два устойчивых состояния – закрытое, или состояние низкой проводимости, и открытое, или состояние высокой проводимости. Переход из одного состояния в другое происходит относительно быстро под воздействием кратковременного внешнего сигнала.

Тиристоры классифицируются по следующим признакам: по количеству выводов, по виду выходной ВАХ, по способам выключения и управления и по другим признакам.

Тиристоры, имеющие только два вывода (анод и катод), называются диодными. В диодных тиристорах различают: тиристоры, запираемые в обратном направлении – динисторы (рис. 2.1,а); проводящие в обратном направлении (рис. 2.1,б) или тиристоры-диоды; диодные симисторы (рис. 2.1,в).

Тиристоры, имеющие три вывода – анод, катод и управляющий электрод, называются триодными.

Триодные тиристоры подразделяют: на запираемые в обратном направлении с управлением по катоду (рис. 2.1, г, д) или с управлением по аноду (рис. 2.1, е, ж); проводящие в обратном направлении (тиристоры-диоды) с управлением по катоду (рис. 2.1, з) или по аноду; симметричные (триодные симисторы) (рис. 2.1, и), которые могут переключаться в открытое состояние при любой полярности напряжения анод-катод.

По способу выключения триодные тиристоры подразделяются на не запираемые, или одно-операционные, которые выключаются только по выходной анодной цепи (рис. 2.1, г, е.), и запираемые, или двух-операционные, которые могут переходить в закрытое состояние при воздействии управляющего сигнала по входной цепи (рис. 2.1, д, ж).

Тиристоры, которые переходят из закрытого состояния в открытое состояние при воздействии на его структуру оптическим сигналом, называются фототиристорами (рис. 2.1, к).

а) б) в) г) д) е) ж) з) и) к)

Рис. 2.1

Рассмотрим принцип действия работы тиристоры на примере триодного, как наиболее распространенного, а для других типов покажем их основные особенности.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа p–n–p–n с тремя p–n-переходами (рис. 2.2, а), в которой p1-слой выполняет функцию анода, а n2-слой – катода. Управляющий электрод связан с p2-слоем структуры. Основной материал при производстве тиристоров – кремний. Четырехслойная структура обычно создается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина n-типа. Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру типа p1–n1–p2. Затем после локальной обработки поверхности p2-слоя вносят донорную примесь в p2-слой для получения четвертого n2-слоя.

Для удобства изучения процессов, протекающих в тиристоре при наличии внешних источников напряжения, представим его в виде структуры, изображенной на рис. 2.2, б. Рассмотрение проведем с помощью вольт-амперной характеристики тиристора, которая представлена на рис. 2.3.

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления = 0. Обратному напряжению тиристора соответствует подключение внешнего напряжения отрицательным полюсом к аноду (область p1), а положительным к катоду (область n2). Полярность напряжения на тиристоре и его распределение по переходам структуры показаны на рис. 2.2, б без скобок.

а) б)

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Приложение обратного напряжения к тиристору вызывает смещение среднего перехода П2 в прямом направлении, а двух крайних переходов П1 и П3 – в обратном. Переход П2 открыт, и падение напряжения на нем мало. Поэтому обратное напряжение распределяется главным образом по переходам П1 и П3. Однако в процессе изготовления тиристора концентрация примеси в p2- и n2-слоях обеспечивается достаточно высокой, по сравнению с концентрацией в p1- и n1-слоях и переход П3 получается узким. Поэтому электрический пробой перехода П3 наступает при напряжении существенно меньшем, чем рабочие напряжение. Обратное напряжение, по существу, прикладывается к переходу П1, т.е. обратная ветвь вольт-амперной характеристики тиристора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода П1.

Рассмотрим теперь процессы в тиристорной структуре при подключении тиристора в прямом направлении (т.е. при подключении плюса источника к аноду, а минуса к катоду). Полярность внешнего напряжения на тиристоре и переходах структуры показана на рис. 2.2,б в скобках. В этом случае крайние переходы П1 и П3 смещаются в прямом направлении, а средний переход П2 – в обратном. В связи с этим напряжение на приборе оказывается приложенным главным образом к переходу П2. Вначале рассмотрим процессы в структуре при отсутствии тока управления ( = 0). Этот режим, как и предыдущий, справедлив и для динистора.

При наличии на тиристоре напряжения в прямом направлении его можно представить в виде двух транзисторов VT1 p–n–p-типа и VT2 n–p–n-типа. Структура и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора показана рис. 2.4, а, б.

а) б)

Рис. 2.4

Эмиттерным переходом для первого транзистора является переход П1, для второго транзистора переход П3. Переход П2 служит общим коллекторным переходом обоих транзисторов. При этом полярность напряжений на переходах соответствует той, которая требуется для работы обоих транзисторов в усилительном (активном) режиме: эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Представив тиристор в виде сочетания транзистора VT1 с коэффициентом передачи тока и током эмиттера и транзистора VT2 с коэффициентом передачи тока и током эмиттера , нетрудно показать составляющие тока в приборе. Токи коллекторов транзисторов Т1 и Т2:

; , (2.1)

где и – обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1 и VT2.

При малых значениях прямого напряжения на тиристоре (участок 0 –б на рис. 2.3) ток через прибор мал. Коэффициенты передачи тока и близки к нулю. Близки к нулю также составляющие токов и перехода П2. Ток через переход П2, а следовательно и ток через тиристор , будет равен обратному току , т.е. в данном случае определятся обратным (тепловым) током перехода П2. Таким образом, начальный участок 0 – б прямой ветви ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики p–n-перехода П2, смещенного в обратном направлении.

По мере роста анодного напряжения, а следовательно и напряжения на коллекторном переходе, увеличивается ток и анодный ток через тиристор. Причина возрастания тока связана, как известно, с увеличением тока утечки по поверхности перехода и лавинным умножением в нем носителей заряда, вызванным ударной ионизацией. Увеличение тока через прибор сопровождается соответственно повышением коэффициентов передачи тока первого и второго транзистора. С некоторого значения тока необходимо учитывать составляющие токов транзисторов и , протекающие через коллекторный переход. Вследствие того что повышение анодного напряжения приводит к увеличению тока , а также составляющих и , на ВАХ появляется участок б – в с более сильной зависимостью тока от напряжения .

Ток через прибор можно найти, определив ток , протекающий через коллекторный переход:

. (2.2)

С учетом того, что в любом сечении прибора при токе управления = 0 протекает один и тот же ток , соотношение (2.2) приобретает вид:

, (2.3)

отсюда

. (2.4)

Выражение (2.4) подтверждает наличие участков 0 –б и б – в на ВАХ тиристора. При малом напряжении и токе (участок 0 – б) сумма коэффициентов передачи тока близка к нулю, анодный ток практически равен току . На участке б – в ток возрастает за счет увеличения тока и суммы коэффициентов передачи тока, которая пока не достигает единицы на этом участке.

Точка (в) на ВАХ является граничной, в которой создаются условия для отпирания тиристора. Напряжение на приборе в точке (в) называется напряжением переключения .

Участок (в – г) на ВАХ соответствует переходу тиристора из закрытого состояния в открытое состояние. При отпирании прибора наблюдаются два явления: 1) уменьшение напряжения на переходе П2 и на тиристоре; 2) действие внутренней, положительной обратной связи в приборе, благодаря которой процесс имеет скачкообразный характер.

Причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение роли составляющих и , и соответственно их суммы в токе через переход П2 по сравнению с током . В точке (в) роль этих составляющих столь значительна в балансе токов, протекающих через переход П2, что дальнейшее увеличение тока возможно лишь за счет уменьшения тока , а следовательно за счет уменьшения обусловливающего этот ток обратного напряжения на переходе П2 и тиристоре . Уменьшение напряжения на переходе объясняется тем, что увеличение составляющих токов и вызывает увеличение потока электронов в n1-базу и дырок в p2-базу и соответственно появление в базах избыточных носителей заряда, снижающих потенциальный барьер коллекторного перехода и его сопротивление. Это приводит к повышению прямого напряжения, приложенного к переходам П1 и П3, и увеличению инжекции через них носителей заряда. Это приводит к еще большему возрастанию коэффициентов передачи тока и заполнению носителями зарядов обеих баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания.

Участок (г – д) соответствует открытому состоянию тиристора. В точке (г) напряжение на переходе П2 и обратный ток равны нулю, сумма коэффициентов передачи = 1. Ток через переход П2 равен сумме составляющих и . Напряжение на тиристоре в точке (г) равно сумме напряжений на переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении.

При перемещении по кривой от точки (г) к точке (д) ток через тиристор возрастает, что увеличивает коэффициенты и , а также их сумму. Баланс составляющих токов через коллекторный переход достигается изменением полярности напряжения на переходе П2, вследствие чего ток изменяет направление. Иными словами, коллекторный переход под действием избыточных зарядов-дырок в p2-базе и электронов в n1-базе, создаваемых потоками носителей, соответственно, первого и второго транзисторов, переводится в проводящее состояние, обеспечивая встречную инжекцию носителей заряда. Ток теперь уже не является обратным током коллекторного перехода П2.

На участке (г – д) все три p–n-перехода прибора находятся под прямым напряжением смещения. Напряжения на переходах П1, П3 противоположны по знаку напряжению на переходе П2. В связи с этим падение напряжения на тиристоре примерно равно падению напряжения на одном переходе (как в диоде). Увеличение падения напряжения на тиристоре при движении по кривой от точки (г) к точке (д) объясняется повышением напряжения в слоях полупроводниковой структуры с увеличением тока.

Рассмотрим процессы в тиристорной структуре при наличии тока управления, т.е. при . С этой целью получим выражение для анодного тока тиристора. При также справедливо выражение (2.2), определяющее ток коллекторного перехода по его составляющим. Как и предыдущем случае, , но в ток будет входить , поэтому . С учетом приведенных соотношений решение (2.2) относительно тока приводит к следующему выражению:

. (2.5)

В соответствии с выражением (2.5) ток управления приводит к более крутому нарастанию анодного тока. Это связано, во-первых, с наличием в числителе выражения (2.5) составляющей , во-вторых, с большим значением коэффициента вследствие возрастания тока на величину тока управления. Ввиду появления дополнительной составляющей в токе коллекторного перехода и повышения коэффициента переключение тиристора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем напряжении на приборе. Процесс, связанный с переходом тиристора из закрытого состояния в открытое, происходит при токе управления, не равном нулю, подобно ранее рассмотренному. Влияние тока на ВАХ тиристора иллюстрируют участки кривых (0 – е) и (0 – ж), показанные для двух значений тока управления .

При некотором значении тока управления участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви вольт-амперной характеристики исчезает, и характеристика приближается к прямой ветви ВАХ простого

p–n-перехода (участок 0 – г – д). Наблюдается так называемое спрямление характеристики. Значение тока , при котором происходит спрямление характеристики, определяет ток управления спрямления . Рассмотренный режим работы, когда отпирание прибора следует после достижения на нем напряжения переключения , используется лишь в схемах с динисторами. В триодных тиристорах переход из закрытого состояния в открытое осуществляется за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Сущность этого режима отпирания тиристора заключается в следующем. В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания меньше напряжения переключения тиристора . При рабочая точка тиристора расположена на прямой ветви ВАХ (участок 0 – в). Через нагрузку и тиристор протекает малый ток, соответствующий рабочей точке на этой ветви. В требуемый момент времени подают импульс управления , задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока управления, который по величине больше тока спрямления. Тиристор открывается, и рабочая точка переходит на ветвь (г – д). Ток через тиристор и нагрузку при этом будет

равен: , где – падение напряжения на

тиристоре в открытом состоянии (участок г – д на ВАХ).

Задачу определения токов и напряжений удобно решать графически, построив нагрузочную прямую (рис. 2.3), проходящую через точки с координатами (0; и ( ; 0). Координаты точек пересечения этой прямой с ВАХ определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состояниях.

Вольт-амперные характеристики двухоперационного тиристора такие же, как и у однооперационного. В двухоперационных тиристорах запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод-катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току отпирания. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора Т2 уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а следовательно к снижению анодного тока и запиранию прибора.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампе1р до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Мощные тиристоры используются в системах преобразования электрической энергии в цепях переменного и постоянного тока.